Luce e materia,
accoppiata vincente
- By Tiziana Moriconi
Siamo un “quanto”
più vicini a comprendere le interazioni tra luce
e materia. Due articoli apparsi su Nature
riportano le ultime scoperte di quella scienza
di frontiera che è la fisica quantistica e ne
immaginano le futuristiche applicazioni (Teletrasposto
riuscito).
Due équipe di fisici
guidate da Tilman Esslinger e Jakob Reichel
hanno studiato il comportamento degli atomi
raffreddati a temperature prossime allo zero
assoluto (circa -273 gradi centigradi) in cavità
ottiche Qde (Cavity Quantum Electrodynamics), in
cui è possibile far interagire singoli atomi con
singoli fotoni, e creare sistemi di molte
particelle che si comportano come fossero una
sola. Nella fisica quantistica questa uniformità
è chiamata coerenza, ed è tipica dei condensati
di Bose-Einstein, lo stato della materia che si
ottiene portando particelle note come bosoni
(ovvero tutte quelle che hanno un numero di spin
intero) a bassissime temperature: in questa
condizione la stragrande maggioranza delle
particelle si viene a trovare in un identico
stato di minima energia (motional ground state)
e ha la stessa funzione d'onda.
Se noi ora prendiamo
questi sistemi e li poniamo all'interno di una
cavità ottica (un “resonator” che può essere
immaginato come una scatola in cui la luce che
entra rimane intrappolata), quello che accade è
un logico aumento delle interazioni tra atomi e
fotoni. Meno logico è forse la formazione di
sistemi atomi-fotoni fortemente accoppiati, che
continuano a comportarsi come un'unica macro
particella. Immaginiamo infatti di bombardare “a
caso” con dei fotoni il condensato di
Bose-Einstein: la luce trasporta energia che
viene distribuita a caso tra le particelle e
distrugge la coerenza del sistema. Usando invece
particolari accorgimenti (per esempio un laser
in cui i fotoni emessi si trovano tutti allo
stesso stato quantico), è possibile far avvenire
l'interazione in maniera coerente.
Nello studio dell'Institute
for Quantum Electronics di Zurigo guidato da
Tilman Esslinger, i fisici sono riusciti a
ottenere un altissimo tasso di accoppiamento del
condensato di Bose-Einstein all'interno di una
cavità ottica, in un sistema tale che tutti gli
atomi hanno occupato un identico stato
quantistico e tutte le coppie fotone-atomo hanno
mostrato una singola eccitazione.
L'esperimento di
Jakob Reichel del
Laboratoire Kastler Brossel e colleghi,
invece, ha mostrato che è possibile stabilire la
posizione del condensato di Bose-Einstein
praticamente in ogni luogo all'interno della
cavità ottica, e controllare il tasso di
formazione delle coppie. Secondo gli autori,
inoltre, è possibile combinare la cavità ottica
con la tecnologia del chip atomico (Confidenze
fra atomi).
Secondo entrambi i
gruppi di ricerca, la comprensione
dell'interazione tra luce e materia allo stato
quantico contribuiscono agli avanzamenti nel
campo della comunicazione quantistica e non solo
(Non
è la somma che fa il totale,
Fotoni esca contro le intercettazioni,
Dal fotone al quantum dot).
“Tutti questi sforzi
vanno anche verso la realizzazione di uno stato
quantistico il meno piccolo possibile”, commenta
Roberto Iengo, direttore del Laboratorio
interdisciplinare per le scienze naturali e
umanistiche e professore ordinario di Fisica
Teorica della Sissa di Trieste. La cavità ottica
è infatti anche uno strumento con cui i fisici
riescono a realizzare degli stati quantistici
che non consistono più in un solo atomo, ma in
molti sistemi accoppiati. “La strada verso il
macroscopico è lunghissima”, continua Iengo, “e
non sappiamo neanche se esistano degli
impedimenti concettuali alla sua realizzazione.
Sensazionale è però il progresso verso uno stato
quantistico sempre più grande” (Verso
lo zero assoluto). Se poi si volesse pensare
a un'applicazione, stati quantistici
macroscopici potrebbero essere usati come
componenti di processori che gestiscono
l'informazione attraverso le leggi della
meccanica quantistica, come la maggior parte dei
fisici quantistici prospettano da anni (Quantum
computer più vicini,
Il primo computer quantistico,
Inerpretazioni microscopiche,
Spy-story quatistiche).
Tratto da: http://www.galileonet.it
